手機芯片作為半導體行業(yè)最為活躍的市場應用之一，其發(fā)展趨勢一直備受矚目。本文從讀者調(diào)查入手，通過與多家業(yè)內(nèi)領先公司的探討，共同分析手機芯片未來的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)。
如果只讓人隨身攜帶一款電子產(chǎn)品，絕大多數(shù)人的選擇肯定是手機。作為芯片領域最為活躍的應用領域，以手機芯片為主的無線芯片市場是IC設計競爭最為激烈的領域。隨著手機的普及和現(xiàn)有手機用戶對手機功能更新的需求，手機市場規(guī)模超過10億部/年。特別是2G到3G的主要過渡期內(nèi)，因網(wǎng)絡升級而產(chǎn)生的手機更新需求將在15億部以上。iSuppli統(tǒng)計表示，全球手機相關半導體產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模2006年已達到386億美元，到2011年將增加為480億美元。圖1列出了2002~2008年世界和中國手機市場的發(fā)展統(tǒng)計。
圖1 2002-2008年世界和中國手機市場的發(fā)展統(tǒng)計
2008年上半年，《電子產(chǎn)品世界》手機開發(fā)技術調(diào)查結(jié)果顯示，手機芯片組、多媒體器件和電源管理是讀者最關注的技術領域，關注度均達35%以上，功能創(chuàng)新(64.4%)和成本降低(44.7%)則成為讀者關心的發(fā)展方向。而42.3%的受訪者認為芯片產(chǎn)品性價比的進一步提高是今后的主要發(fā)展要求，也有部分受訪者認為能夠為芯片產(chǎn)品提供完整的解決方案或進一步降低功耗才是發(fā)展的主要要求(如圖2)。
圖2 受訪讀者對芯片產(chǎn)品的主要發(fā)展要求
新時期對手機芯片的新需求
手機芯片的技術發(fā)展離不開市場需求的驅(qū)動，追求更多功能、更小體積和更低成本等要求成為手機芯片技術發(fā)展的主要趨勢。根據(jù)通信運營網(wǎng)絡的現(xiàn)狀，2G/3G多模融合是當前的主導，當然，3G、LTE甚至4G則是未來手機發(fā)展的主要方向。相比較2G而言，由于3G網(wǎng)絡能夠提供更大的傳輸速度，使消費者得以擁有更流暢完整的用戶經(jīng)驗，包括在線游戲、視頻電話，移動電視等方面，除了手機的運算能力以外，手機服務內(nèi)容供應商所能提供的服務內(nèi)容將會3G發(fā)展的重要推力之一。
展訊通信有限公司副總裁曹強博士認為應用決定了3G手機與2G手機芯片的不同需求：從芯片技術來看，半導體的發(fā)展趨勢是更快(速度快)、更低(功耗低)、更小(面積小)，作為消費時尚前沿的手機必然選擇最先進的工藝。3G的應用將使手機芯片追求更快的數(shù)據(jù)處理速度，以實現(xiàn)手機多種功能，以及更高的頻率以實現(xiàn)手機對各種應用的整合。除此之外，3G應用還會拉動手機基礎芯片的升級，比如：電源管理、存儲器等。由于3G用戶會長時間用手機獲得網(wǎng)絡服務，這將促使芯片廠商采用更加先進的電源管理技術以滿足越來越高的功耗需求，同時，也要求基帶、射頻等芯片的功耗更低。在存儲器方面，信息量的增加和操作系統(tǒng)的復雜更是加大了對存儲空間的需求。
NXP手機及個人移動通信事業(yè)部業(yè)務開發(fā)與策略合作總監(jiān)Michel Windal補充指出，消費者已經(jīng)習慣了2G手機在待機時間和通話/運行時間上的高性能表現(xiàn)，這是我們目前面臨的主要挑戰(zhàn)。3G手機要求更高級的計算算法，但是這些性能在第一代3G手機中都被弱化了，消費者也因此對3G手機感到失望。電池和電源管理技術的發(fā)展速度遠遠跟不上對3G手機性能要求的飛速提高。這也是導致3G手機銷售未能達到預期效果的根本原因之一。通過大規(guī)模功能集成與內(nèi)置電源管理技術的結(jié)合過渡到深亞微米CMOS(45納米及更高工藝)技術，這一問題有望得以解決。
拓展媒體處理能力是重點
無論是基帶處理器還是應用處理器，集成化是發(fā)展的必然趨勢。Michel Windal認為當前基帶處理器競爭的激烈性在于，RF CMOS將主導這些先進技術，主動集成GSM、GPRS、EDGE、UMTS、HSDPA及HSUPA等多模調(diào)制解調(diào)器，并通過控制功耗和EMI，集成高性能多媒體功能、藍牙和WiFi等多種連接功能，以及FM收音機和GPS等廣播功能?；鶐У募蓱?zhàn)略同樣在應用(多媒體)處理器中得到部署。即使是高端的功能手機(feature phone)，最初通常采用單獨的應用處理器，為將這些功能豐富的手機帶入產(chǎn)量巨大的中端市場，必須在基帶架構(gòu)中集成應用處理器。這樣也可優(yōu)化性能與功耗需求。由大規(guī)模集成這些融合器件所帶來的挑戰(zhàn)，正迫使芯片制造商們積極主動地采用最先進的深亞微米CMOS(45納米及以上工藝)技術。它實現(xiàn)了多種功能的全球系統(tǒng)集成：基帶功能(數(shù)字和模擬)、收發(fā)器功能、應用處理器功能以及電源管理功能。
手機多媒體是2G/3G時代最重要應用，強大的多媒體處理功能將會是手機消費者的基本需求之一，3G手機、智能手機所具有的各種多媒體功能，視頻下載、在線娛樂、數(shù)據(jù)共享、視頻電話等對手機芯片提出了更高的要求，導致市場對GPS、圖像處理、手機電視、音視頻處理等功能芯片的需求大增。
多媒體應用芯片的研發(fā)，已成為3G手機產(chǎn)業(yè)的核心技術和競爭制勝的利器。芯片的高數(shù)據(jù)處理速度為在終端中實現(xiàn)多媒體應用創(chuàng)造了硬件條件，同時也能把更多先進電子設備功能融合于無線終端中。數(shù)據(jù)與內(nèi)容是3G持續(xù)不斷的推動力，核心技術則是支持應用的一個平臺，而給3G應用提供核心技術支持的多媒體芯片就承擔起實現(xiàn)3G應用的重任，也給芯片制造帶來不可限量的發(fā)展前景和機會。同時，針對需要音頻、視頻質(zhì)量，整個技術結(jié)構(gòu)都將需要得到不斷提升的市場需求，手機芯片領域也迎來了重新洗牌的機會。因此，TI認為要想在手機芯片產(chǎn)業(yè)目前和未來的競爭中占據(jù)有利位置，手機芯片多媒體功能必將成為目前手機芯片市場角逐的重點。對于芯片廠商而言，多媒體應用處理器的處理能力以及其所能達到的效能將愈來愈重要。
對應用處理器而言，最關鍵的要求是以極低的功耗實現(xiàn)高質(zhì)量的多媒體功能。為此，博通公司設計出一種專業(yè)的Videocore的并行處理架構(gòu)，它為實現(xiàn)極低功耗而進行了優(yōu)化，并且使博通公司獲得了支持各種標準的或?qū)Ｓ械木幗獯a方案的靈活性，它可以與博通公司自己的或它的任何一個競爭對手的一個應用處理器連接。VideoCore III (BCM2727)多媒體處理器不僅為移動手機及高級媒體播放器提供高質(zhì)量的多媒體功能，而且獲得很長的電池工作時間，而且能夠支持高清晰度攝錄機和視頻播放，高達1200萬像素且擁有高級圖像信號處理技術的專業(yè)相機，用于先進用戶界面的高性能3D技術，導航顯示以及移動游戲，如圖3。
圖3 BCM2727功能方框圖
尋找功耗與性能的平衡點
隨著手機功能的日趨強大，更多的耗電量成為手機發(fā)展的瓶頸，如何加強手機功能而不以犧牲功耗為前提，成為產(chǎn)業(yè)面臨的主要問題。這就意味著手機在對性能要求更為嚴格的同時，對功耗要求也更為苛刻，在手機芯片開發(fā)中需要對兩者進行平衡。相關的調(diào)查研究顯示不同的市場對這兩方面的要求是有差別的，比如高端市場對性能要求非常高，功耗要求相對弱一些;而低端市場對功耗要求比較高，性能要求相對較弱。
NXP公司認為，尋找平衡點的訣竅就在于如何優(yōu)化各個高功耗子系統(tǒng)的架構(gòu)：運用最先進的技術來降低電源電壓，因為電量是根據(jù)電源電壓水平的平方值進行等比例分配的;硬接線功能集成的耗電量通常要比基于軟件的部署少;在單一芯片上保留總線集約型作業(yè)。連接外部存儲器比連接芯片上的本地存儲器的功耗大;通過大規(guī)模功能集成減少元件數(shù)量。芯片內(nèi)部互連比芯片間互聯(lián)的耗電低;為實現(xiàn)特定功能對性能的要求，可采用動態(tài)調(diào)整時鐘速度或電源電壓的電源管理技術。
如果向45納米甚至以后的32納米演進，以合理的功耗顯著提高數(shù)據(jù)處理能力已不成問題。LTE調(diào)制解調(diào)器處理器將于2010-2011年實現(xiàn)量產(chǎn)，也必須支持遠遠高于每秒1.2萬兆指令的峰值性能。這必須通過極具創(chuàng)新性的架構(gòu)和處理器技術，配合先進的電源管理方法才能實現(xiàn)。展訊公司副總裁曹強博士認為，通過將電源管理部分(PMU)與基帶集成為單芯片，從而降低板級功耗;并且提高LDO的工作效率，以實現(xiàn)整體功耗的降低。為降低漏電流，NXP將電源管理集成到手機基帶中，以對每個小的子系統(tǒng)中的功耗進行微管理，還通過動態(tài)頻率或電源級調(diào)整以最低的功耗優(yōu)化性能。
博通公司則認為，目前在市場中有很多電源管理功能可以被集成到芯片當中，但是有很多大功率功能，例如電源插座充電器，它需要較大的電壓，一般都不會放進65納米或以下的工藝中去實現(xiàn)。我們看到那些帶有高壓要求特征的模塊與低壓部分被分開，把高壓的部分放在電源管理器上，而低壓射頻放在基帶上。不是全都可以放在基帶上，因為像USB和電源插座充電器這樣一類的模塊所要求的電壓超出了深亞微米工藝所能處理的范圍。采用65納米低壓數(shù)字CMOS也可以降低手機芯片的功耗。TI增強型SmartReflex 2不僅包含各種軟硬件技術，能夠從系統(tǒng)級解決方案解決整個設計的電源管理問題，更增加許多新功能包括 Adaptive Body Bias (ABB)、Retention ‘Til Access (RTA) 存儲器以及 SmartReflex PriMer 工具，將大幅提升45nm的性能與功耗平衡能力。
